（信息与通信工程专业论文）tsnmt在基于星形无线传感器网络上的应用研究.pdf

t h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nt s - n m t i ns t a rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a n gj i n g l i ( i n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l i a n gd e q u n j u n e2 0 1l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：! 墨：丛丛! 查基王星显玉线佳壁墨圆终的廛周研究= = 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名燃砌。年6月弓d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密日( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：弓撇导师签名： 日期：2 0 j i ，、 t ”， ：l ? 二- r 一二， ，；r l ， ，文、0 ，目k ， 中文摘要 摘要 随着信息技术的不断发展，人们对网络的需求越来越大，传统的人与人之间 的通信已经不能满足人们的同常需求，人们丌始考虑让人与物体之间，物体与物 体之间能够相互通信，从而无线传感器网络应运而生。然后再研究应用过程中出 现了许多实际问题，其中能量问题即为无线传感器网络的一大瓶颈问题。由于其 节点均是用电池供电，所以其资源非常有限。而其节点能量的主要消耗是在发送 和接受信号方面上，因此如果能在这两方面上相应的减小能量的消耗，对无线传 感器的发展具有一定的突破意义。 t s n m t ( t i m e - s h i f tn o n - o r t h o g o n a lm u l t i c a r r i e sm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 是由 梁德群教授提出的一种全新的数字调制技术，它不仅提高了信息的传输率，而且 还突破了传统载波调制中正交性的限制，拥有比4 g 的主流技术o f d m 有更高的 频带利用率。本论文是把t s n m t 与无线传感器网络传统的的调制方式一b p s k 相比较，通过仿真验证二者在调制解调方面上的能量消耗，由数据证明t s - n m t 在调制解调方面上消耗能量低的优越性，从而为以后的实际应用打下良好的基础。 本论文介绍了t s - n m t ，无线传感器网络及其协议的相关理论知识，以及通 过i e e e 8 0 2 1 5 4 协议构建无线传感器网络框架，应用室内的无线网络信道，选用 的信道模型为瑞利信道。在信道模型的仿真工程中，插入了用于信道估计的导频 信号，为了防止码间干扰又插入了保护问隔。最后，在相同条件下，对比t s - n m t 与b p s k 两种调制方式的能量消耗。仿真结果证明了t s n m t 的优越性。 关键词：无线传感器网络；时移非正交多载波调制；b p s k 英文摘要 a b s t r a c t t h en e e d so fn e t w o r ka r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r e c o m u n i c a t i o nb e t w e e np e o p l e h a sb e e nu n a b l et om e e tt h ed a i l yn e e d so fp e o p l e p e o p l es t a r tc o n s i d e r i n gt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np e o p l ea n do b je c t s s ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka p p e a r s h o w e v e r , t h e r ea r em a n yp r a t i c a lp r o b l e m sd u r i n gr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o np r o c e s s ，a n d am a j o rp r o b l e mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki se n e m y b e c a u s ei t sn o d e sa r ep o w e r e db y b a t t e r y , i t sr e s o u r c e sa r el i m i t e d m e a n w h i l e ，t h ep r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o no fi t s n o d e sa r es e n d i n gs i g n a l sa n dr e c e i v i n gs i g n a l s t h e r e f o r e ，i fw ec a nr e d u c et h i se n e r g y c o n s u m p t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s ss e n s o s rh a sac e r t a i nb r e a k t h r o u g h t s - n m t ( t i m e - s h i f tn o n o r t h o g o n a lm u l t i - c a r r i e sm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ) i s i n v e n t e db yp r o f e s s o rl i a n gd e q u nw h i c hi san e w d i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i tn o t o n l yi m p r o v e st h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e ，b u ta l s ob r e a k st h r o u g ho r t h o g o n a l c o n s t r a i n to ft h et r a d i t i o n a lc a r r i e rm o d u l a t i o n c o m p a r e dw i t ht h em a i n s t r e a m t e c h n o l o g yo f4 g o f d m ；i th a sh i g h e rb a n d w i d t he f f i c i e n c y t h et h e s i sc o m p a r e s t s n m ta n dt r a d i t i o n a lm o d u l a t i o nm e t h o d so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k b p s k t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h et w oa s p e c t s ，a n dt h ed a t a p r o v et h ea d v a n t a g e so f t h el o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h u st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nl a y s ag o o df o u n d a t i o ni nt h ef u t u r e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et s - n m tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n di t sp r o t o c o l ，a n d b u i l t sf r a m e w o r ko fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb yi e e e8 0 2 15 4 ，u s e st h ei n d o o rw i r e l e s s n e t w o r kc h a n n e la n ds e l e c t st h ec h a n n e lm o d e lo fr a y l e i g hc h a n n e l i ns i m u l a t i o n p r o j e c t ，c h a n n e lm o d e li n s e r t si m p u l s es i g n a l sf o rt h ec h a n n e le s t i m a t i o na n dt h eg u a r d i n t e r n a li no r d e rt op r e v e n ti n t e r - s y m b o li n t e r e n c e f i n a l l y , o nt h es a m ec o n d i t i o n , t s - n m tc o m p a r e sw i t hb p s ko nm o d u l a t i o no ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s u l t s o fs i m u l a t i o ns h o wt h es u p e r i o r i t yo ft s - n m t k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；t s n m t ；b p s k 目录 第1 章绪论l 1 1 论文背景及意义1 1 2 本人主要工作3 第2 章t s n m t 和b p s k 原理及相关技术4 2 1t s - n m t 调制解调原理4 2 1 1t s n m t 调制原理4 2 1 2t s n m t 解调原理6 2 2 方程组的病态性问题9 2 3 二相调制b p s k 基本原理9 2 3 1b p s k 调制1 0 2 3 2b p s k 解调1 0 2 4t s - n m t 与b p s k 能量消耗的理论分析1 1 第3 章无线传感器网络及其协议i e e e8 0 2 15 4 1 3 3 1 网络拓扑结构。1 3 3 1 1 网络的形成1 4 3 2 体系结构1 5 3 2 1 物理层1 6 3 2 2m a c 层1 7 3 3 功能概述1 7 3 3 1 超帧结构1 7 3 3 1 数据传输模式1 9 3 3 。2 帧结构2 l 3 3 3 鲁棒性2 5 3 48 6 8 9 1 5 m h z 频段物理层规范2 6 3 4 18 6 8 9 1 5 m h z 频段数据率2 6 3 4 2 调制和扩频2 6 3 4 3 参考调制图2 6 第4 章无线传感器网络中移动无线信道环境的讨论。2 8 4 1 移动无线信道及特性参数2 8 4 1 1 自由空阳j 信道2 8 4 1 2 多径衰落的基本特点3 0 口录 4 1 3 多普勒频移3 1 4 2 建立无线传感器网络的室内无线信道模型3 2 4 2 1 室内无线信道的衰落特点3 2 4 2 2 室内无线信道传播特点3 2 4 3 设计无线传感器网络的室内无线信道模型3 3 4 3 1 瑞利信道3 3 4 3 2 瑞利信道参数设置3 3 4 3 3 信道中的噪声3 4 第5 章t s n m t 与b p s k 在基1 ：传感器网络上的对比研究3 6 5 1 网络拓扑结构的设计3 6 5 1 1 网络拓扑结构的设冒：3 6 5 1 2 通信地址的设置3 8 5 1 3 整体通信流程设置3 9 5 2 系统的仿真模块4 0 5 2 1 信源4 2 5 2 2c s m a c a 竞争方式4 2 5 2 3 波形预处理4 5 5 2 4 调制方式及参数设胃4 6 5 2 5 插入保护间隔和导频信号4 9 5 2 6 过室内无线信道5 0 5 2 7 瑞利信道与白噪声5 0 5 2 8 信道估计与补偿5 2 5 2 9 解调方式5 5 5 3t s - n m t 与b p s k 在同等条件下的比较5 6 结论6 3 参考文献6 4 致谢6 7 研究生履历6 8 t s - n m t 在基于星形无线传感器网络上的应用研究 第1 章绪论 1 1 论文背景及意义 随着无线通信技术的飞速发展，传统的人与人之间的通信已经无法满足人们 生活与工作的需求，因此无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 这一能够 实现人与物，物与物之间的通信方式应运而生，从而促进人们的不断发展。其综 合了传感器技术，嵌入式计算技术，分布式信息处理技术和通信技术【1 1 。在无线传 感器网络中，许多具有通信和信息处理能力的传感器节点通过无线的方式组网连 接，并相互协作，共同完成对目标信息的采集和检测等任务【2 3 】。可被应用与军事， 防爆，救灾，环境，医疗，家居，工业等领域 4 】。美国技术评论在预测未来技 术发展的报告中，将无线传感器网络列为2 1 实际改变世界的十大新兴技术之首【5 】。 无线传感器网络的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，最早应用与军事领域，并把 该网络作为一项重要的研究领域，且设立了一系列的军事传感器网络研究项目。 2 0 0 2 年，才把w s n 应用到民用领域，例如：美国i n t e l 公司发布了“基于微型传 感器网络的新型计算发展规划”。伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署 和使用无线传感器网络来研究岛上的环境。国内对无线传感器网络的研究还处于 初步阶段。目前，哈尔滨工业大学，清华大学等已经开始了该领域的研究工作， 以及国家自然科学基金委员会已经在该领域设立了多个重点项目和面上项目，无 线传感器网络的研究任重道远【6 1 。 无线传感器网络有一瓶颈性问题一能量问题。在工程中，由于许多无线传感 器网络的各个节点大多是由电池供电的，又因为此网络一般部署区域环境复杂甚 至有时恶劣，有些区域工作人员不易到达，因此传感器节点通过更换电池的方式 来了补充能量是不现实的，所以我们就要高效地利用此能源。 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块，处理器模块和无线通信模块。 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量 功耗在无线通信模块上阴。图1 1 所示是d e b o r a he s t r i n 在m o b i ( x ) m 2 0 0 2 会议上 的特邀报告( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp a ri v ：s e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l s ) 8 1 中所述传 第1 章绪论 感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在 无线通信模块。 无线通信模块存在发送，接受，空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲 状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态 则关闭通信模块。从图1 1 中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大， 在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状 态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需 要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑得问题。 传感器 处理器! 发送 接收空闲睡眠 通信 图1 1 传感器节点能量消耗情况 f ig 1 1t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o rn o d e s 在传感器节点中，能量的消耗大部分是在发送接收时段的调制解调部分【9 1 ，从 而如果能够减小在调制解调方面上的能量，这对无线传感器网络的发展具有重要 意思。由梁德群教授提出的时移非正交多重调制技术( t i m es h i f t n o n o r t h o g o n a l m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , t s n m t ) 作为一种全新的多载波数字调制技术，突破了传 统载波调制中正交性的限制，而且比4 g 的主流调制o f d m 频带利用率低，在数 字通信中表现出巨大的优越性。贺明妍博士从理论上并仿真实验证明了t s - n m t 2 加 ：2 m 5 o 俗m v 兀 在基于星形无线传感器网络上的应用研究 与q p s k 相比，具有发送单位比特数据能量消耗低的优势i l o l 。所以近一步把 t s n m t 应用在无线传感器网络中能够减少能量的消耗，可改善传感器节点能量 消耗这一瓶颈问题。 1 2 本人主要工作 本论文的研究内容来源于国家自然科学基金资助项目”数字通信中的调制框架 的研究”( 6 0 7 7 2 1 6 0 ) 、大连市攻关项目“基于非正交多重调制技术( n m t - n o n o r t h o g o n a lm u l t i p l em u l t i p l em o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 的有线宽带接入调制解调器的 研制。 课题的工作重点为：根据w s n 国际标准一i e e e 8 0 2 1 5 4 构建了w s n 网络框 架，首先从理论上证明在信号带宽相同，码元信息传输速率相同，误比特率相同 的条件下t s n m t 比b p s k 调制技术在进行数据的发送接收所消耗的能量低，然 后应用m a t l a b 对基于星形无线传感网结构进行仿真，证实此理论结果。 具体工作如下： ( 1 ) 查找资料，了解w s n 相关理论知识。 ( 2 ) 对i e e e s 0 2 1 5 4 标准及相关协议的网络设置和技术参数进行分析。并仿真 实现基于星形的无线传感器网络模型，以及能够熟练地应用c s m a c a 协议，并 通过所设计的网络类型，改进c s m a c a 竞争机制使节点能够通过此竞争方式竞 争信道。 ( 3 ) 利用m a t l a b 作为仿真工具，仿真在星形结构无线传感器网络上，在相 同的信号带宽，噪声和误码率的条件下，对二者性能进行比较，证明t s n m t 调 制技术比b p s k 调制技术在节能方面优越，并记录其优越程度。 ( 4 ) 设定合理参数，使仿真结果趋于理想化。 3 第2 章t s - n m t 和b p s k 原理及相关技术 第2 章t s - n m t 和b p s k 原理及相关技术 时移非正交多重调制技术( t s n m tt i m e s h i f tn o n o r t h o g o n a lm u l t i c a r r i e s m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 是数字通信中一种概念全新的调制方法及相关技术。它是 由梁德群教授提出的，它不仅突破了传统载波调制中正交性的限制，而且比4 g 的 通信的核心技术0 f d m 频带利用率低，具有高的信息传输率，低的能量需求 等特点。由于这是数字通信中最底层的技术，因此使其可以用于有线，无线，移 动，卫星和水声通信中。 2 1t s - n m t 调制解调原理 2 1 1t s - n m t 调制原理 t s n m t 是一种时频相混合的多载波调制技术【1 1 , 1 2 l 。这种调制方式是将传输信 息分成周期相同的一系列码元，在时域上，每个码元是由多个子波时移后叠加而 成的合成波。其中子波是由两部分组成：调制波和基子波。调制波为方波，其方 波的宽度为子波的有效期，方波的幅度为子波的幅度；基子波可由正弦波，方波， 锯齿波，三角波，截断高斯波，升余弦波或小波的一种或几种组成。在频域上， 可将带宽分成n 等分，每一份为子信道，t s n m t 不要求其各子信道所含子载波 的正交性，即各子信道之间的频率不必相差整数倍，对于每个子信道所包含的正 弦波个数也不要求相等。 调幅的t s n m t 有组间频分模式和组内频分模式两种。t s n m t 的时移组内 频分结构将所有的子波分成m 组，每一组内的基子波不相同，各组的子波数q 相 等，各组对应位置上的基子波相同。其形式化表示为： g q ) 一g i j ( t 一巧) ( 2 1 ) 式2 1 中，g o 一勺) ； 币 一巧苫。 o 一勺：主 ( 2 2 ) 4 t s - n m t 在星形结构无线传感网上的应用研究 盯。一乃，= 0 ：主乏，口驴以，后= ，y ) ， ( 2 3 ) 式2 1 为一个码元的合成波式2 2g o o 一毛) 表示子载波，它是由调制波和基 子波组成，其中驴( f 一乃) 为调制波，其中勺为方波幅度，乃为子波有效期也是方 波的宽度，g o o ( t - r v ) 为基子波，其要满足式2 4 的条件： g o o 一勺) g o ，( p i ) ( f 一( p 1 ) ) ， g o i j ( t 一勺) = g o ( i + 1 ) j ( t r ( i + o j ) ( 2 4 ) 其中江1 ，m ，j f = 1 ，q ： 它的波形可以是各种各样而幅度归一化为1 ，这里采用正弦波作为基子波。其 中，吆在实数域取值，k 为正整数，表示按现行的多幅度调制的方法对幅度量化， 而】，的取值范围取决于工程实施时的条件。此外，m 、乇等参数及每个子波 携带的比特数可在调制过程中根据具体情况进行调整，从而得到更低的误码率和 更高的信息传输率。 下面举例说明：图2 1 ( a ) 给出了时域的一个码元波形结构的示例图，一个码元 有6 个分段正弦波时移叠加而成，信道被划分为2 个子信道，每个子信道包含3 个子波，每个子波带l b i t 信息。各子波经幅度调制后叠加形成的合成波如图2 1 ( b ) 所示。 5 第2 章t s - n m t 和b p s k 原理及相关技术 ( a ) 未调制的t s n m t 波形 ( a ) u n - m o d u l a t e dw a v e f o r mo f t s n m t 2 1 2t s - n m t 解调原理 ( b ) 调制后的t s - n m t 的合成波 ( b ) m o d u l a t e dw a v e f o r mo f t s n m t 图2 1t sn m t 波形 f i g 2 1w a v e f o r mo f t s - n m t t s n m t 解调过程实质就是进行一系列相干运算【1 3 】，得到一个线性方程组， 然后通过求该线性方程组便得到各个子波的幅度。 t s - n m t 解调框图如图2 2 所示： 6 乏扫域馨，v垮毪馨 t s n m t 在星形结构无线传感网上的应用研究 图2 2 t s - n m t 解调框图 f i g 2 2t s - n m td e m o d u l a t eb l o c kd i a g r a m 设接收到的信号为： ，( f ) = a ls i n ( w , t ) + a 2s i n o 吃o f ) ) + + 口s i n ( w t 、，( t 一( 一1 ) r ) ) + a a ms i n ( 川( f j ) ) + + 口h ls i n ，- i o 一( j y 一2 ) 力) + 口s i n ( w j o 一( 日一1 ) r ) ) ( 2 5 ) 其中，为子信道数，日为子载波数，f 为两子载波的时间间隔。 相干运算过程： 第一个子波的相干运算： 7 第2 章t s - n m t 和b p s k 原理及相关技术 g l = i a is i n ( w i t ) s i n ( w i t ) t i t + 卜2s i n ( w 2 ( t - r ) ) s i n ( w i f ) 出+ oo 晶晶 + i a s i n ( ho 一( 一1 ) f ) ) s i n ( w l f ) 出+ l a + ls i n ( w 。( t - n r ) ) s i n ( 嵋f ) 以+ 0 0 r o 死 + p 一ls i n ( w j l ( t - ( h - 2 ) f ) ) s i n ( w l t ) d t + i a s i n ( 叶。一( 日一1 ) f ) ) s i n ( w l t ) d t 2 f i l a t + r 1 2 a 2 + + 1 一i a h i + r 1 h a l l ( 2 6 ) 其中t o 为子载波的有效期。 第二个子波的相干运算： g 2 = i a 。s i n ( m f ) s i n ( w 2 ( t - 彳) ) 西+ j 口：s i n ( w 2 ( t r ) ) s i n ( 心( f r ) ) 出+ 0o 死矗 + p s i n ( w n ( t - ( n 一1 ) f ) ) s i n ( w 2 0 f ) ) 以+ p + is i n ( w , ( t - n f ) ) s i n ( w 2 ( t - f ) ) 出+ o0 矗死 + p 一。s i n ( 叶一l ( t - ( h - 2 ) r ) ) s i n ( w 2 ( t - r ) ) 巩+ i a hs i n ( w j ( t - ( h - 1 ) f ) ) s i n ( w 2 ( t - f ) ) 魂 0o 2 r 2 , a , + 2 2 a 2 + + r 2 , ，一i a h i + r 2 。h a l l ( 2 7 ) 按照如上方法，便得到g l ，g 2 ，q ，则g = g i ，g 2 ，吼】为载波与合成波的相 干值，h 为一个码元内的子载波数。( ，= l ：日，p = 1 ：日) 为原始子载波的相关值。 ( ，= 1 ：日，p = 1 ：日) 的获取是通过发送端发送日个基子波g o h ( t - - f h ) ， h = 1 ，q i ，q 2 一l + 1 ，q 2 一i + q ，q 0 一i + l ，q 0 一l + 绋， 再在接收端获得个对应的基子波 g o r h ( t - r h ) ，h = l ，_ ，q ，q i + 1 ，q 2 一l + q 2 ，锄一i + l ，翰一i + 绋；然后 计算= f g o r h ( t r h ) g o r ，( t r , ) d t ( 2 8 ) 令j i ， - - 1 9 , * - 9 j f ，q l ，q 2 一l + 1 ，q 2 一i + q 2 ，锄一l + 1 , - - - , 线一+ 鳊，得到h x h 个嘞，即获得矩阵尺的所有元素。其中，系数矩阵r 的表达式见式2 9 所示。 8 t s n m t 在星形结构无线传感网上的应用研究 r = l2 r 2 1嘞 r m白2 ，坩 。r 2 x 吩 ： 。r c 9 ) 然后，通过解方程组r a g ，司以得到接收到的子波的幅度，即 a r 以g ( 2 1 0 ) 解此方程组得到各个子波的幅值彳一f ，二z ，二日】1 ，即完成解调，再转化为 对应的信息，即完成解码【1 4 1 。 2 2 方程组的病态性问题 在现实生活中，任何系统都会受到噪声的影响，由于噪声的影响，方程组 r a = g 变为r ( a + 鲋) 一g + a g ，其中，g 为噪声向量，鲋为解的误差向量。由 于，数字通信的量化特性，在指定r aig 后， 尺鲋一a g 辛a a r 。a g ( 2 1 1 ) 由数学的相容性定理： 尺。l l | l g 0 ( 2 1 2 ) 由式2 1 2 可知，要想减小1 1 鲋1 1 ，就必须从忙一1 8 和o go 两方面入手，但是由 于外界噪声是随机不可控制的，所以欲要减小1 1 鲋1 1 ，必须降低忙一1 0 ，l i r 一1 0 表示解 调矩阵的逆矩阵的范数，其值越小越好，一般在1 0 以下。减小滤波器的阶数或者 减小子波个数都会使得忙一1 l i 变小，但当需要传送率很高的时候，导致子波数就会 增多，于是需要在子波的起始点加附加波( 负脉冲) 来减小忙1 0 。 2 3 二相调制b p s k 基本原理 二进制相位调制( b p s k ，b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 是指受键控的载波是随 着基带脉冲的变化而变化的【1 5 1 。其b p s k 的信号形式为： 9 第2 章t s n m l 和b p s k 原理及相关技术 e o ( f ) 2 ；口一g ( f 一刀互) c 。s 屹f c 2 1 3 ， 其中个g ( t ) 是脉宽为互的单个矩形脉冲，a 一的统计特性为： a n 。f “黧p 。、 (214)1 。1 一，概率为( 1 一p ) ( 2 j 4 ) 由此可推导出 啪，_ = ，嚣絮p ) 即发送二进制信号为0 的时候，这时口厅取+ 1 ，e o ( t ) i t z0 相位；发送二进制信 号为1 的时候，此时a 厅取一1 ，e o ( o 取巧相位。这种以载波的不同相位直接去表示 相应数字信息的相位键控，通常被称为绝对移相方式。 2 3 1b p s k 调制 b p s k 信号的镍榨法框图如下图所示： 载波 开关 移相 图2 3 产生b p s k 的键控方框图 f i g 2 3b l o c kd i a g r a mo fg e n e r a t i n gk e y i n gb p s k 2 3 2b p s k 解调 b p s k 的解调分为相干解调与非相干解调。由于本仿真实验应用的是相干解调 方法，所以在此仅仅介绍相干解调方法的方框图，如图2 4 所示。 1 0 t s n m t 在星形结构无线传感网上的j 踅用研究 一一一 图2 4b p s k 相干解调方框图 f i g 2 4b l o c kd i a g r a m o fb p s kd e m o d u l a t i o n 出 2 4t s n m t 与b p s k 能量消耗的理论分析 功率谱密度函数( p o w c rs p e c t r a ld e n s i t y , p s d ) 描述了能量在频率上的变化情 况。p s d 表示的是单位频率范围内的能量，对一定频率范围内的p s d 求积分即可 得到该频率范围内的能量。 待发送信息是由0 、1 组成的二进制随机序列，且符号0 、1 出现的概率相等， 经过b p s k 调制后的发送信号的p s d 可以表示为： e n p s r ( f ) ；t t y 陋c ( ( 厂+ 正玩) 1 2 + l s i n c “，一) 硝】 ( 2 1 6 ) 其中，瓦是b p s k 的码元持续时间，是b p s k 信号的幅度，丘是载波角频 率。 t s n m t 的单边带p s d 表示为，如式2 1 7 所示， - 脚( 舻莉2 v n 2 h 2 端l g ( ，) r ( 2 1 7 ) 。竖黑垮m 。n + ：，1 陋仍( ，一正) ) 一s i l l c ( t a ( f + 无”1 2 6 ( 2 h 一1 ) m 一1 。 其中，是t s n m t 信号的幅度，m 是t s n m t 星座图中总的星座点数， h 是子波个数。 b p s k 和t s n m t 的平均单位比特能量可以分别表示为 骣f 町下吖罕| | 回 甲| l 童 输 刊 第2 章t s - n m t 和b p s k 原理及相关技术 业掣 ( 2 1 8 ) 己一。i 扩 u 。 一。班掣 ( 2 1 9 ) 一。瓦瓦_ 弘j 功 其中，瓦表示t s - n m t 码元的持续时间。 在两种调制方式下的信号带宽相同，传信率相同，噪声相同的条件下进行 t s n m t 与b p s k 进行单位比特能量的比较的。 在给定信号带宽下，b p s k 和t s n m t 的信息传输速率可以表示为： 一l 0 9 2 m 口写( 2 2 0 ) r 6 一l 0 9 2 m 巧 ( 2 2 1 ) 其中m 口为b p s k 星座图的星座点数。 为了保证b p s k 和t s n m t 有相同的仿真条件，应使它们的信号带宽和信息 传输速率相同，于是得到 b w m - b w b ，一 ( 2 2 2 ) 当t s - n m t 只有1 个子信道时，由一可以得到，m ；4 和日一2 。 令珞一口吃，通过调整口的值来观察b p s k 和t s n m t 的能量变换。令 屹- 1 v o l t ，乃一瓦一1 s ( 其中，乃表示t s n m t 中予载波的持续时间，且瓦= 2 t a ) ， l 一2 h z ，t s n m t 与b p s k 的单位比特能量比叩随子波幅度口的变化如表2 1 所 示。 表2 1 ，7 随口的变化情况 t a b 2 1t h er e s u l t so f t w i t hv a r i o u sv a l u e so f a l a 1 0 1 1 0 3 1 0 5 1 0 7 i l i 1 5 i i r l i 现0 0 7 5 1 2 410 0 6 7 6 1 2l 0 1 8 7 8 110 3 6 8 1 1 10 7 5 1 2 4i1 6 9 0 3i 由表2 1 可以看出，t s n m t 与b p s k 的单位比特能量比r 会随着t s n m t 子 波幅度口的增大而增大，而且大到一定值时，并不比b p s k 节能。而且就理论来 讲，当子波幅度口越小，就越比b p s k 节能，并显示了很大的优越性。 1 2 t s - n h t 在星形结构无线传感网上的应用研究 第3 章无线传感器网络及其协议ie e e8 0 2 15 4 无线传感器网络是一种无基础设施的网络，它是由一组传感器节点以自组织 方式构成，其目的是协作感知，采集和处理网络覆盖地理区域中被感知对象的信 息，并对收集到的信息进行处理，从而使信息更加的详细准确，最终将这些信息 传送到需要的用户【1 6 l 。用户通过终端的管理和分析软件来了观测网络的运行状况， 并且可以对网络中的各个节点进行管理和监控。 为了满足低功耗，低成本的无线网络要求，无线传感器网络所运用 i e e e 8 0 2 15 4 国际标准，该标准定义了较低的两层：物理层( p h y ，p h y s i c a ll a y e r ) 和媒体接入控制子层( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。根据标准开放性网络互联( o s i ， o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 七层协议模型，其上层的网络层( n w k ，n e t w o r kl a y e r ) 和应用层( a p l ，a p p l i c a t i o nl a y e r ) 是由z i g b e e 协议栈建立的。其中z i g b e e 栈体系 结构由一组称为层的块儿组成。每个层为上层执行指定一套服务，每个服务实体 通过一个服务接入点( s a p ) 为上层提供一个接1 2 1 ，每个s a p 支持一些服务原语来完 成必须的功斛1 。丌。 3 1 网络拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 规定了一个低数据率的w p a n ( l r w p a n ，l o w r a t ew i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 标准。其有两种拓扑结构：星形拓扑结构和点到点拓扑结构 t s ! t n 图3 1 所示。这两种拓扑结构均是由两种设备组成：全功能设备( f f d ， f u l l f u n c t i o nd e v i c e ) 和精简功能设备( r f d ，r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ) 【1 9 1 。在网络 拓扑结构中只有f f d 能做网络协调器，在通信能力方面，f f d 可以与f f d 或r f d 进行通信，而r f d 只能